电网谐波治理和无功补偿技术的分析与研究.doc

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西南交通大学

本科毕业设计（论文）

电网谐波治理和无功补偿技术的分析与研究

GRIDHARMONICCONTROLANDREACTIVECOMPENSATIONANALYSISANDRESEARCH

年级:

2008级

学号:

20087940

姓名:

杨洋

专业:

电气工程及其自动化

指导老师:

杨乃琪

2012年6月

西南交通大学本科毕业设计（论文）VI

院系电气工程系专业电气工程自动化

年级2008级姓名杨洋

题目电网谐波治理和无功补偿技术的分析与研究

指导教师

评语

指导教师（签章）

评阅人

评语

评阅人（签章）

成绩

答辩委员会主任（签章）

年月日

毕业设计（论文）任务书

班级电气2008级2班学生姓名杨洋学号20087940

发题日期：

2012年2月27日完成日期：

2012年的6月27日

题目电网谐波治理和无功补偿技术的研究与分析

1、本论文的目的、意义随着工业与民用用电负荷的迅猛增加，电力电子设备的广泛应用，这些负荷所产生的谐波对电网造成了污染，使电能质量下降，影响了电力系统的安全稳定运行，因此有必要对谐波治理和无功补偿技术进行分析研究。

2、学生应完成的任务了解谐波产生的原因，学习分析谐波的基本方法，分析无功补偿技术的理论知识，以10kV配电网及牵引供电系统为具体实例进行进一步的分析与研究。

根据毕业设计工作撰写毕业设计论文。

3、论文各部分内容及时间分配：

（共15周）

第一部分了解项目背景，收集相关资料并整理（2周）

第二部分明确毕业设计论文思路及核心内容（3周）

第三部分学习掌握相关知识，制定方案（4周）

第四部分总结工作（4周）

第五部分撰写毕业论文（3周）

评阅及答辩审定，答辩。

（2周）

论文整改 （1周）

备注

指导教师：

2012年2月27日

审批人：

2012年2月27日

摘要

随着电力系统规模的快速发展，人们对电能质量的要求越来越高。

谐波治理和无功补偿是保证电力系统电能质量的重要手段。

随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载和各种整流设备被广泛用于各行业，谐波污染和配电线路低功率因数运行的问题极为突出，给供电企业的安全运行和经济效益带来了巨大影响。

因此，设置无功补偿、抑制谐波污染、改善供电质量已成为当前迫切需要解决的问题。

本文对电网的谐波治理和无功补偿技术等基本概念做了详细的介绍。

主要针对10kV配电网以及牵引供电系统的概况，结合工程实际，较为详细的介绍了二者谐波治理和无功补偿的情况。

无源滤波器在电网谐波治理和无功补偿中担任着重要的角色，它具有结构简单、设备投资少、运行可靠性高、运行费用低等优点，成为电力系统中最普遍的谐波抑制设备。

本文所涉及主要包括：

一方面对10kV配电线路无功功率的集中补偿作了简单的计算以及对其效果做了比较分析，得出了一套较为实用的方法。

另一方面，针对牵引供电系统不对称负载这一特点，介绍了电气化铁路常用的无功补偿技术和谐波治理方案。

分析了单调谐波滤波器、高通滤波器的结构型式和工作原理，并且通过一个简单的仿真，证明了无源滤波器在实际应用中的作用。

以上所述，对提高电网的安全性，经济性以及提高电能质量具有一定的实用价值。

关键词功率因数；谐波；无功补偿

Abstract

Withtherapiddevelopmentofpowersystem,thePowerqualityisrequiredtobebetterandbetter.Asaresult,reactivePowercompensationandharmoniccontrolplayimportantpartsinpowerquality.Duringtheapplicationofallkindsofcommutatingequipmentsandanumberofthenonlinearloads,harmoniccurrentsandharmonicvoltagemakethepowerqualitydropseriously.Atthesametimethephenomenonoftransmissionlineandequipmentsworkinginlowerpowerfactoroccurmorefrequently,whichthreatenthestabilityofthepowersystemanddecreasetheeconomicofPowerGridCompany.so,itisurgenttocompensatethereactivepowerandsuppresstheharmonic.

Thisarticlemadeadetailedintroductiontothebasicconceptofthegridharmoniccontrolandreactivepowercompensation.Mainlyforthe10kVDistributionPowerNetworkandTractionpowersupplysystem,madeamoredetaileddescriptionoftheharmoniccontrolandreactivepowercompensationinpracticalengineering.Passivefilterplayanimportantroleinthegridharmoniccontrolandreactivepowercompensation.Ithasasimplestructure,lessinvestmentinequipment,highreliability,lowoperatingcostssothatithasbeenthemostcommonpowersystemharmonicsuppressionequipment.

Thisarticleinvolves:

inonehand,madeasimplecalculationtotheconcentrationofreactivepowercompensationinthe10kVdistributionline,andobtainedapracticalapproach.Ontheotherhand,asthecharacteristicsofasymmetricloadinelectrifiedrailwaytractionpowersupplysystem,introducedacommonapproachofreactivepowercompensationandharmoniccontrol.Thentakeaanalysisofmonotonousharmonicfilters,high-passfilterstructuretypeandworks,alsoprovetheroleofpassivefilterinpracticalapplicationthroughasimplesimulation.Aboveall,ithassomepracticalvaluesinimprovingthegridsecurity,economyandpowerquality.

KeywordsPowerfactor;Harmonics;Reactivepowercompensation

目录

第1章绪论 1

1.1谐波治理与无功补偿的意义 1

1.2无功补偿的意义及其研究现状和发展 1

1.2.1无功补偿的早期发展 2

1.2.2无功补偿的近期发展 2

1.2.3无功补偿的发展趋势 4

1.3谐波治理的现状及发展趋势 5

1.3.1谐波问题的研究现状 5

1.3.2谐波治理的方法总述 6

1.4牵引供电系统谐波与无功补偿技术应用现状 6

1.5本文的主要工作 8

第2章无功补偿电容器 9

2.1无功功率的基本概念 9

2.1.1无功功率的产生 9

2.1.2正弦电路的无功功率和功率因数 9

2.1.3无功功率的影响 10

2.2并联电容器补偿无功功率的原理 10

2.3并联电容器补偿无功功率的方法 12

2.4无功补偿对电压的影响 12

2.5无功补偿对有功损耗的影响 14

2.610KV线路无功补偿的必要性和方法 15

2.6.110KV线路无功补偿的必要性 15

2.6.210kV线路无功补偿的方法 15

第3章配电网谐波的产生与危害治理 17

3.1电力系统谐波的基本概念 17

3.1.1谐波的产生及原理 17

3.1.2谐波源的分类 18

3.1.3畸变率 19

3.2谐波的危害 20

3.3配电网谐波治理的对策 22

3.3.1受端治理 22

3.3.2主动治理 22

3.3.3被动治理 23

3.4无源滤波器 24

3.4.1单调谐滤波器 24

3.4.2二阶高通滤波器 25

3.4.3电力滤波器的接线形式 25

第4章牵引供变电系统的谐波治理和无功补偿 26

4.1牵引供电系统谐波和无功现状 26

4.1.1牵引供电系统 26

4.1.2牵引供电系统谐波和无功补偿面临的问题 26

4.2牵引供电系统谐波和无功补偿方法 27

4.2.1机车上的并联补偿 27

4.2.2牵引网上安装并联补偿 28

4.3牵引变电所的并联补偿 30

4.3.1改善牵引供电系统功率因数的方法 30

4.3.2并联电容补偿装置的分析与组成 31

4.4牵引网中并联电容的应用 32

第5章无源及有源滤波器工程设计仿真 34

5.1无源滤波器的一般设计原则 34

5.1.1滤波装置的典型结构图及滤波装置的最后确定 35

5.1.2确定滤波装置的构成 35

5.2无源滤波器的参数设置以及确定 36

5.3无源滤波器工程设计仿真 37

5.4牵引供电系统有源滤波仿真 40

5.5本章小结 44

结论 45

致谢 46

参考文献 47

西南交通大学本科毕业设计（论文）第46页

第1章绪论

1.1谐波治理与无功补偿的意义

电力系统运行的重要标准是能够连续地向用户提供优质、可靠的电能，这就要求系统必须具备足够的静态储备能力和有功、无功备用容量，来维持系统运行在额定电压和额定频率附近。

随着电网规模的扩大和用电设备的增加，配电侧电能质量问题日益突出，电网中引起谐波的主要因素包括负载侧的各式各样变流装置、含有磁饱和特性的装置以及一些非线性并且不平衡的电路，大量自然功率因数偏低的阻感负载的介入电网导致电压偏低和损耗增加的问题等，在电源侧，有发电机的线槽间隙谐波、输电线路种出现的电晕放电现象、系统的不对称运行，以及发生不对称故障等等。

目前对于谐波的研究主要集中在以下四个方面：

1.与谐波有关的功率定义和功率理论的研究；

2.谐波分析及其影响和危害的分析；

3.谐波的抑制和补偿；

4.与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。

1.2无功补偿的意义及其研究现状和发展

1967年美国学者L.Gyugyi提出利用半导体变流器进行无功补偿的理论以来，世界各国的专家对大功率新型静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensator,STATCOM）的理论与工程应用研究方兴未艾。

近年来,我国电力装机容量每年以10GW的速度递增,大大缓解供电紧张的局面。

随着供电量的增加,系统线损也将增大。

据统计,电力系统的无功损耗最多可达到总发电量的20%-30%,也就是说大约四分之一的发电容量都将用来抵消掉了输电和配电过程中的功率损耗。

这在很大程度上增加了发电机和变电所的设备容量，与此同时也大大浪费了极其宝贵的电力资源,对电能成本产生了巨大的影响,从而国民经济也受到较大的影响。

不可避免的是，在电力系统运行中,功率损耗和电能损耗是肯定存在的,但是，需要采取相应的措施，应竭尽全力降低损耗。

这在降低电能成本，节省资源,提高设备利用率等方面都是有必要的。

1.2.1无功补偿的早期发展

电力系统中的功率应时刻保持平衡，也包括无功功率。

无功补偿装置有以下作用：

1.提高电力系统负载的功率因数，设备容量，减少功率损耗。

2.稳定受电端及全网电压，提高供电质量。

在长距离输电线路中，合理地设置无功补偿装置的容量及其位置，以便改善其电力系统的稳定性，提高输电的能力。

3.在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相有功及其无功负载。

同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表，它不但能够补偿固定的无功功率，也能够动态地跟踪的无功功率变化来进行补偿。

随着现代控制技术的不断发展，同步调相机的控制性能有了较大的改善，设备使用的灵活性也有所提高，但仍属于一种比较陈旧的补偿手段。

另一种典型的无功补偿装置是并联电容补偿器。

在补偿条件相近的条件下，并联电容补偿器比同步调相机更为经济，因此，电容器补偿装置得到了非常广泛的使用，但电容器只能补偿固定的无功功率，而且可能因谐波诱发并联谐振。

此外并联电抗器也是一种重要的补偿手段，通常是装设在超高压线路和地之间，改善轻载或空载情况下线路的电压水平。

上述三种无功补偿装置的自动化程度偏低，不能对电网运行参数的变化进行判断，需要运行人员在运行过程中进行投切操作，当网络变化频次高时操作较频繁，运行人员会感到吃力，增加了工作量。

早期的无功补偿装置的优缺点可以总结为表1-1。

表1-1早期无功补偿装置的优缺点

补偿装置

优势

缺陷

同步调相器

使用最早，原理简单，安装、运行、维护方便

不能连续调节，单一补偿感性无功，负电压效应严重

电容器

传统装置，可发出不同大小的感性和荣幸无功功率

操作复杂，响应慢，损耗严重，维护复杂，噪声污染严重

电抗器

响应迅速

损耗严重，噪声污染严重，不能分相调节，存在特殊问题

1.2.2无功补偿的近期发展

1.静止无功补偿器

随着电力电子技术的发展，一些新型无功补偿装置开始涌现。

1977年，美国CE公司率先将晶闸管引入到无功补偿装置中，成功研制出静止无功补偿装置（SVC），次年又由美国西屋电气公司将静止无功补偿装置投入到电力系统的生产和实践中。

静止无功补偿器的特点是采用不同的静止开关投切电容器或电抗器，目前可以作为投切开关的电力电子设备有交流无触点开关SCR、GTR、GTO等，这些器件的响应时间只需，比起以断路器做静止开关的传统静止补偿器，反映速度提高约500倍。

无论系统处于何种运行方式，静止无功补偿装置都可以在一个周波内完成投切动作，而且可以进行单相调节。

基于上述控制速度快、维护简单、成本较低等多方面的优点，使用晶闸管作投切开关的SVC在电力系统中的应用越来越广泛，占据了静止无功补偿装置的主导地位。

静止无功补偿装置可以细化为晶闸管投切电抗器（TCR）、晶闸管控制电容器（TSC）、机械投切电容器（MSC）。

在电力工业中，静止无功补偿装置既可以是TCR、TSC和MSC单独来构建使用，也可是采用其中两个或多个组成混合装置进行使用，例如晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器组成的混合装置（TCR+TSC），亦或是晶闸管投切电抗器与固定电容器混合组成的装置（TCR+FC），以及晶闸管投切电抗器与机械投切电容器混合组成的装置（TCR+MSC）。

尽管静止无功补偿装置具有许多优点，但由于晶闸管的关断不能控制，开关器件的工作频率低，使得它对电能质量的补偿能力相对减弱，动态性能难以提高。

2.静止无功发生器

静止无功发生器（SVG）属于第三代静止无功补偿技术，也称为静止补偿器（STATCOM），其核心思想是采用电力半导体变流器进行无功补偿。

早在20世纪70年代初期便有学者提出这种补偿方案，但直到1976美国学者L.Gyugyi才提出一套工业界一致认可的实现方案——自换相的桥式变流电路，并于1980年由日本研制出第一台采用强迫换相桥式电路的SVG装置。

此后，世界各国对SVG开展了大量的研究和探索，目前有关SVG的研究领域可以分为：

SVG的建模研究、SVG控制模式研究、SVG结构设计和SVG不对称控制研究等多个方面。

在理论上，根据储能元件的不同，SVG装置可以分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。

电压型桥式电路的直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗器并入电网；电流型桥式电路的直流侧采用电感作为储能元件，交流侧并联上电容器后接入电网。

但在实际生产中，大多数SVG都是采用电压型桥式电路，通过大功率电